導電性セラミックス

導電性セラミック、高度な工業用材料、それらの構造の変更により、導電体として機能します。

セラミック材料のよく知られた物理的特性（硬度、圧縮強度、脆性）に加えて、電気抵抗率の特性があります。ほとんどのセラミックは電流の流れに抵抗するため、磁器などのセラミック材料は伝統的に電気絶縁体にされてきました。ただし、一部のセラミックは電気の優れた導体です。これらの導体のほとんどは高度なセラミックであり、粉末から製品への製造を正確に制御することによって特性が変更された最新の材料です。高度なセラミックの特性と製造は、高度なセラミックの記事に記載されています。この記事では、いくつかの導電性先進セラミックの特性と用途について概説します。

ほとんどのセラミックの抵抗率の原因は、セラミックの組成と特性の記事に記載されています。この記事では、セラミックの導電率の起源について簡単に説明します。セラミックの導電率は、ほとんどの材料と同様に、電子とイオンの2つのタイプがあります。電子伝導とは、自由電子が物質を通過することです。セラミックでは、原子をまとめて保持するイオン結合は自由電子を考慮していません。ただし、場合によっては、価数の異なる（つまり、結合電子の数が異なる）不純物が材料に含まれ、これらの不純物が電子のドナーまたはアクセプターとして機能することがあります。他の場合には、原子価が変化する遷移金属または希土類元素が含まれることがあります。これらの不純物は、ポーラロン（原子間を移動するときに局所分極の小さな領域を作成する電子の種）の中心として機能する場合があります。導電性セラミックは、抵抗器、電極、および発熱体として使用されます。

イオン伝導は、結晶格子の空孔と呼ばれる点欠陥を介した、あるサイトから別のサイトへのイオン（正または負の電荷の原子）の移動で構成されます。通常の周囲温度では、原子が比較的低いエネルギー状態にあるため、イオンホッピングはほとんど発生しません。ただし、高温では空孔が移動し、特定のセラミックは高速イオン伝導と呼ばれるものを示します。これらのセラミックは、ガスセンサー、燃料電池、バッテリーに特に有用です。

厚膜および薄膜の抵抗器と電極

半金属セラミック導体は、超伝導セラミック以外のすべての導電率が最も高くなっています（下記を参照）。半金属セラミックの例は、酸化鉛（PbO）、二酸化ルテニウム（RuO ₂）、ルテニウム酸ビスマス（Bi ₂ Ru ₂ O ₇）、およびイリジウム酸ビスマス（Bi ₂ Ir ₂ O ₇）です。金属と同様に、これらの材料は電子エネルギーバンドが重複しているため、優れた電子伝導体です。それらは、厚膜マイクロ回路への抵抗をスクリーン印刷するための「インク」として使用されます。インクは、適切な有機物に分散された導体とグレーズ粒子を粉砕したもので、スクリーン印刷に必要な流動特性を付与します。焼成すると、釉薬が溶けて有機物が燃え尽きます。導体粒子の量を変化させることにより、厚膜の抵抗に幅広い変化を生み出すことが可能です。

酸化インジウム（In ₂ O ₃）と酸化スズ（SnO ₂）の混合物をベースにしたセラミック（酸化インジウムスズ（ITO）と呼ばれます）は優れた電子伝導体であり、光学的に透明であるという追加の利点があります。伝導性と透明性は、大きなバンドギャップと十分な電子ドナーの組み込みの組み合わせから生じます。したがって、電子伝導率と光透過率の両方を最大化するための最適な電子濃度があります。ITOは、太陽電池や、ラップトップコンピュータの画面で使用されているような液晶ディスプレイ用の薄い透明電極として、広範な用途を見込んでいます。ITOは、集積回路の薄膜抵抗器としても使用されます。これらのアプリケーションでは、標準的な薄膜蒸着とフォトリソグラフィー技術によって適用されます。